中铁某标段隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析

《中铁某标段隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、铁路隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析1概述2脱空的数值模拟3脱空的原因4安全影响分析隧道衬砌脱空对结构安全的影响5结论随着铁路建设的范围越来越广泛，铁路隧道面临的地质、设计、施工及结构安全问题较以往更具有特殊性和典型性。隧道衬砌结构是否可靠，主要由地质条件、设计参数、施工质量以及相应的建设管理等因素控制。由于铁路隧道衬砌断面考虑空气动力学原因，隧道断面较大，给隧道施工质量提出了更高的要求。按照新奥法的设计理念，隧道衬砌与围岩紧密贴合，共同受力变形，设计计算中也考虑隧道衬砌背后的围岩可以提供连续的径向弹性抗力。1概述隧道衬砌脱空对结构安全的影响

2、1概述然而，由于施工质量问题，隧道衬砌与背后围岩脱空，未密贴，围岩未提供连续有效的弹性抗力，衬砌结构承载不均匀，产生不均匀地层反力，引起结构局部地方应力集中，严重影响结构安全储备，危害结构安全，实际工程中造成结构开裂、掉块，局部结构防排水措施失效等病害。本文结合某铁路隧道的工程实例，以数值模拟为手段，分析不同脱空部位及脱空范围对结构受力特征的影响，为铁路隧道的结构安全提供技术基础及方案处理对策。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.1数值计算模型建立及参数取值由于隧道背后脱空现象多发生于岩层条件较好的硬质岩中，以典型的灰岩隧道为例，

3、隧道断面深埋，围岩为<17-8>灰岩(D2q)：浅灰、灰色，中厚层状，岩质硬脆，节理裂隙弱发育，地下水弱发育。断面采用地层结构法进行了Ⅲ级围岩隧道平面应变分析，III级A型复合式衬砌断面如图1所示。计算模型横向宽度180m，纵向高度150m，直角坐标系的坐标原点位于仰拱中心。隧道衬砌脱空对结构安全的影响假设围岩材料均服从Mohr-Coulomb准则，四面体单元进行离散；隧道二衬采用弹性梁单元模拟，左侧边墙脚处的单元为1#，顺时针编号，二衬共划分了92个单元。在整体坐标系里，X轴平行于隧道断面且与水平地面平行，Y轴垂直向上，Z轴沿隧道中线，静力

4、分析中X方向约束法向位移，底部边界约束X、Y方向位移，共离散了2740个单元，2850个节点。数值计算各参数取值见表1。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.1数值计算模型建立及参数取值隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟图1：III级A型复合式衬砌断面示意图2.1数值计算模型建立及参数取值隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟表1：模拟参数取值2.1数值计算模型建立及参数取值项目名称E/MPaμ天然容重γ(kN/m3)内聚力c(kPa)内摩擦角φ(º)围岩37000.2825110044二衬300000.2225——

5、——2.2静力模拟工况本次模拟共进行了10种工况的分析，考虑沿拱圈0.5m范围内混凝土与二衬脱离来进行模拟，共划分了16个脱空单元，如图2所示。模拟主要分为4种类型10个小项，分别为：二衬与围岩紧密贴合无脱空、拱顶脱空、拱腰脱空和边墙脱空，具体工况如表2所示。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟图2：数值模拟16个脱空单元示意图隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.2静力模拟工况隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟表2：数值模拟工况表2.2静力模拟工况项目名称模拟内容无脱空二衬与围岩紧密贴合拱顶脱空1m单元1与二衬分

6、离2m单元1、单元2与二衬分离4m单元1~单元4与二衬分离拱腰脱空1m单元9与二衬分离2m单元9、单元10与二衬分离4m单元9~单元12与二衬分离边墙脱空1m单元13与二衬分离2m单元13、单元14与二衬分离4m单元13~单元16与二衬分离2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟KN≤ϕaRabh(1)式中Ra——混凝土或砌体的抗压极限强度；K——安全系数；N——轴向力；b——截面宽度；h——截面厚度；φ——构件的纵向弯曲系数；对于隧道衬砌取φ=1.0；a——轴向力的偏心影响系数。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2

7、005)[6]的衬砌计算方法，混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算：式中R1——混凝土的抗拉极限强度；e0——截面偏心距(m)，对混凝土矩形截面构件，当e0≤0.20h时，抗压强度控制承载能力，按式(1)计算。2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟通过数值模拟计算，得到二衬轴向内力结果，按下式计算截面安全系数，评价脱空对二衬的影响。K=ϕaRabh(抗压控制)(3)NK=ϕ1.75R

8、1bh(抗压控制)(4)N(6e0/h-1)2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟10种数值模拟工况的衬砌轴力及弯矩图如表3所示。不同脱空部位对